板块构造与地幔柱构造浅析

板块构造与地幔柱构造浅析

胡亮 011082-08 20081001216

内容提要：

板块构造学说引发了地球科学的革命，成为最盛行的地学理论之一。但是一些新观点和新假说，如地幔柱构造假说的等，使地质构造研究潮流移向多元化。本文对板块构造学说与地幔柱构造假说各自的特征和动力学模式，以及两者之间的内在关系进行了简单地阐释和论证。

关键词：板块构造；板块运动；地幔柱；地幔柱构造。

1.板块构造学说及板块运动的动力

板块构造学说(Plate tectonics)是在大陆漂移学说和海底扩张学说的基础上提出的。该学说成功解释了许多地理现象，如大西洋两岸的轮廓问题；非洲与南美洲发现相同的古生物化石及现代生物的亲缘问题；南极洲、非洲、澳大利亚发现相同的冰碛物；南极洲发现温暖条件下形成的煤层等等。

大洋中脊是地幔对流上升的地方，地幔物质不断从这里涌出，冷却固结成新的大洋地壳，以后涌出的热流又把先前形成的大洋壳向外推移，自中脊向两旁每年以0.5～5厘米的速度扩展，不断为大洋壳增添新的条带。因此，洋底岩石的年龄是离中脊愈远而愈古老。当移动的大洋壳遇到大陆壳时，就俯冲钻入地幔之中，在俯冲地带，由于拖曳作用形成深海沟。大洋壳被挤压弯曲超过一定限度就会发生一次断裂，产生一次地震，最后大洋壳被挤到700公里以下，为处于高温溶融状态的地幔物质所吸收同化。向上仰冲的大陆壳边缘，被挤压隆起成岛弧或山脉，它们一般与海沟伴生。现在太平洋周围分布的岛屿、海沟、大陆边缘山脉和火山、地震就是这样形成的。所以，海洋地壳是由大洋中脊处诞生，到海沟岛弧带消失，这样不断更新，大约2～3亿年就全部更新一次。因此，海底岩石都很年轻，一般不超过二亿年，平均厚约5～6公里，主要由玄武岩一类物质组成。而大陆壳已发现有37亿年以前的岩石，平均厚约35公里，最厚可达70公里以上。除沉积岩外，主要由花岗岩类物质组成。地幔物质的对流上升也在大陆深处进行着，在上升流涌出的地方，大陆壳将发生破裂。如长达6，000多公里的东非大裂谷，就是地幔物质对流促使非洲大陆开始张裂的表现。

2.板块的移动

随着软流层的运动，各个板块也会发生相应的水平运动，大板块每年可以移动1-6厘米的距离。这个速度虽然很小，但经过亿万年后，地球的海陆面貌就会发生巨大的变化：当两个板块逐渐分离时，在分离处即可出现新的凹地和海洋；大西洋和东非大裂谷就是在两块大板块发生分离时形成的。当两个大板块相互靠拢并发生碰撞时，就会在碰撞合拢的地方挤压

出高大险峻的山脉。位于我国西南边疆的喜马拉雅山，就是三千多万年前由南面的印度板块和北面的亚欧板块发生碰撞挤压而形成的。有时还会出现另一种情况：当两个坚硬的板块发生碰撞时，接触部分的岩层还没来得及发生弯曲变形，其中有一个板块已经深深地插入另一个板块的底部。由于碰撞的力量很大，插入部位很深，以至把原来板块上的老岩层一直带到高温地幔中，最后被熔化了。而在板块向地壳深处插入的部位，即形成了很深的海沟。西太平洋海底的一些大海沟就是这样形成的。

根据板块学说，大洋也有生有灭，它可以从无到有，从小到大；也可以从大到小，从小到无。大洋的发展可分为胚胎期（如东非大裂谷）、幼年期（如红海和亚丁湾）、成年期（如目前的大西洋）、衰退期（如太平洋）与终了期（如地中海）。大洋的发展与大陆的分合是相辅相成的。在前寒武纪时，地球上存在一块泛大陆。以后经过分合过程，到中生代早期，泛大陆再次分裂为南北两大古陆，北为劳亚古陆，南为冈瓦那古陆。到三叠纪末，这两个古陆进一步分离、漂移，相距越来越远，其间由最初一个狭窄的海峡，逐渐发展成现代的印度洋、大西洋等巨大的海洋。到新生代，由于印度以北漂到亚欧大陆的南缘，两者发生碰撞，青藏高原隆起，造成宏大的喜马拉雅山系，古地中海东部完全消失；非洲继续向北推进，古地中海西部逐渐缩小到现在的规模；欧洲南部被挤压成阿尔卑斯山系，南、北美洲在向西漂移过程中，它们的前缘受到太平洋地壳的挤压，隆起为科迪勒拉—安第斯山系，同时两个美洲在巴拿马地峡处又相接；澳大利亚大陆脱离南极洲，向东北漂移到现在的位置。于是海陆的基本轮廓发展成现在的规模。

3.地幔柱的概念

Morgan首次提出了“地幔柱”的明确定义：地幔柱是地球深部来源物质，由于放射性元素的分裂、热能的释放而炽热上升的圆筒状物质流。地幔柱以火山作用、高热流和上隆为标志。主要特征为：①上隆并伴随着火山作用产生碱性玄武岩、流纹岩及深海拉斑玄武岩，它们具独特的地球化学特征；②重力大；③高热；④地幔柱可出露于大洋或大陆，呈一维有时是二维无震脊由热点处向外延伸（Wlison，1973）。

热能在地核的集中是液核热对流和地幔柱活动的原因；旋转动能在地核的集中可通过圈层角动量交换转化为热能，它是地核周期性热膨胀的原因。地核周期性热膨胀使地壳地幔胀裂，形成全球性的大洋和大陆裂解时间，为地幔柱的上涌打开了通道。地幔柱起源于核幔边界的热积累和角动量的交换。

4.地幔柱的起源

地幔柱的起源于地球内部的热界面层，与热界面层间的热扰动有密切关系。地震波研究表明，地球内部有两个热界面层，一个是位于670km处的上下地幔不连续面（ULMB）；另一个是2900km处的核-幔不连续界面（CMB）附近的D层。而许多证据可以证明地幔柱起源于D层。①理论计算表明，地幔柱释放出的热量仅占整个地球放热的10%左右，这个范围与地核释放出的热量比例相吻合。②理论模拟表明，在所许可的上升速度范围内，从上、下地幔之间热界面启动的地幔柱穿过上地幔最多只能形成直径为300km的球形顶冠，而实际上许多地幔柱的球状顶冠直径超过1000~2000km，这只能用起源于核-幔热界面层解释。③地幔柱位置相对固定难以用地幔柱起源于上下地幔界面层解释，但这与地幔柱起源于核-幔界面相吻合。

5.地幔柱的构造

从深部上升的地幔柱可以分为两部分，大而宽的头部及窄而小的尾部，这是因为地幔柱低粘度及低密度的物质流上升时受高粘度的地幔物质阻碍的缘故。地幔柱不仅是热流而且也是化学流，上升使得热传递会使小部分周围地幔温度升高、密度变小，随地幔柱一起上升，地幔柱头部会因不断包裹这种周围地幔物质而增大，若按地幔柱起源于D层计算，到达岩石圈顶部时，地幔柱直径可在1000km；地幔柱尾部在上升时一般近于垂直，其包裹上覆地幔物质的量很小，它的温度及成分均接近于地幔柱源区。

地幔中的水平剪切力可使幔柱变得倾斜，板块运动也可使地幔柱的运动轨迹发生变化，如果地幔柱倾斜程度大于60度，地幔柱将变得不连续，